JP2002526766A

JP2002526766A - キャビティ内レーザの出力強度を測定することによる汚染種の同定及び濃度決定

Info

Publication number: JP2002526766A
Application number: JP2000574912A
Authority: JP
Inventors: エイチアトキンソン，ジョージ; エスピルグリム，ジェフリー
Original assignee: イノヴェイティヴレーザーズコーポレーション
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2002-08-20
Also published as: CN1329718A; WO2000020845A1; EP1129335A1; TW504572B; US5991032A; CA2346050A1; CN1154842C; EP1129335A4; KR20010090739A

Abstract

(57)【要約】ガス試料中の較正された範囲内にある特定の濃度のガス種の存在を検出するための方法及び装置が開示される。発明のＩＬＳガス検出システム(１０)は単にＩＬＳレーザ(１２)及び光検出器(１６)を含む。しかし、ＩＬＳレーザ(１２)のとり得るすなわち動作波長バンド幅は測定されているキャビティ内ガス種に起因する吸収帯すなわち領域の１つの内に完全に含まれることが好ましい。すなわち、較正された範囲内で、ガス種の存在によりＩＬＳレーザ(１２)のレーザ出力強度が変わる。したがって、発明のＩＬＳレーザ法を用いる場合に、吸収を行っているガス種の濃度を定量的に決定するために測定する必要があるのは、ＩＬＳレーザ(１２)の出力強度のみである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】関連出願の説明本出願は、本出願と同日に出願された米国特許出願第０９/１６６,００３号に
関連する。前記出願は、ＩＬＳレーザをセンサの出力スペクトルにおける変化を
測定するための波長選択性光素子とともに用いる、ガス試料内での特定の濃度の
ガス種の存在を検出するための方法に関する。本出願は、いかなる波長選択性光
素子も用いず、よって全レーザ出力強度がガス種濃度の決定に用いられる、ＩＬ
Ｓレーザの使用に向けられる。

【０００２】発明の分野本発明は概ねガス中の汚染種の検出に関し、さらに詳しくは、キャビティ内レ
ーザ分光法と一般に称されるレーザ手法による、ガス分子、原子、ラジカル及び
／またはイオンの高感度検出に関する。

【０００３】発明の背景レーザは、その最も簡単な形態において、２つのミラーの間に配置された利得
媒体を含むとして図式的に示すことができる。レーザキャビティ内の光はミラー
の間で繰返し反射され、その都度、光利得を生みだす利得媒体を通過する。第１
のミラーの鏡面コーティングは全反射性とすることができ、一方第２のミラーの
鏡面コーティングは半透過性とすることができて、よっていくらかの光がレーザ
キャビティから漏れ出ることができる。ミラーの反射面間の空間領域は、レーザ
共振器すなわちキャビティを定め、本発明に関してはいわゆる“キャビティ内領
域”に関わる。

【０００４】レーザ出力強度は利得媒体が動作する波長領域及び反射器素子の反射率の両者
の関数である。通常、この出力はバンド幅が広く、また尖鋭で判然とした分光的
特徴はもたない。

【０００５】レーザ分光法によるガス種、例えば原子、分子、ラジカルまたはイオンの同定
には、そのようなガス種が吸収を行う波長範囲にレーザ出力があることが必要で
ある。ガス種の検出への従来のレーザ適用においては、レーザ外部にあるガス試
料を励起してイオン化または蛍光のような２次信号をつくるために、レーザ光が
用いられる。あるいは、従来の吸収分光法においては、レーザ光にレーザの外部
にあるガス試料を通過させて、波長により変化する減衰を測定する。

【０００６】約２０年前、別の検出方法論であるキャビティ内レーザ分光法(ＩＬＳ)が初め
て探究された；例えば、“ジャーナル・オブ・ケミカル・フィジックス(Journal
of Chemical Physics)”誌，第５９巻(１９７３年７月１日)，３５０〜３５４
ページのジー・アトキンソン(G. Atkinson)等による「キャビティ内ダイレーザ
手法による自由ラジカルの検出」を参照されたい。ＩＬＳでは、レーザ自体が検
出器として用いられる。分析されるべきガス試料が、多モードの、バンド幅が均
等に拡張されたレーザの光共振器に挿入される。上掲のアトキンソン等は、基底
状態及び励起状態にあるガス分子、原子、ラジカル、及び／またはイオンを光共
振器内に入れることにより、レーザ出力を変化させ得ることを示した。詳しくは
、キャビティ内のガス種の吸収スペクトルがレーザの出力スペクトルに現れる。

【０００７】レーザ出力における弁別的な特性吸収は、吸収を行っているガス種によって導
入されるキャビティ内損失により生じる（本明細書に用いられるように、“特性
吸収”とは、光強度対波長のグラフにおいて光強度が単独の極小値に達する一連
の波長系列に該当する）。多モードレーザにおいて、キャビティ内吸収損失は基
準モードダイナミクスによるレーザ利得と競合する。この結果、キャビティ内の
特性吸収が競合するレーザ利得より実効的に強い波長で、レーザ出力強度の減衰
を観測することができる。特性吸収が強くなるほど、上記の波長におけるレーザ
出力強度は大きく減少する。

【０００８】ＩＬＳでは、吸収を行うガス種をレーザ共振器内に挿入することにより、従来
の分光法より高められた検出感度が得られる。ＩＬＳ手法の高められた検出感度
は、(１)レーザ利得媒体で生みだされる利得と(２)吸収体損失との間の非線形的
競合により得られる。この結果、ＩＬＳは弱い吸収及び／または極めて低い吸収
体濃度のいずれの検出にも利用することができる。

【０００９】光共振器内のそれぞれのガス種は、それぞれの吸収スペクトルすなわち識別特
性により一意的に同定することができる。さらに、分光識別特性における１つま
たは複数の特定の特性吸収の強度は、センサを適切に較正しさえすれば、ガス種
濃度の決定に用いることができる（本明細書に用いられるように、“分光識別特
性”とは、ガス種を一意的に同定する、吸収強度すなわち吸光度に対してプロッ
トされた波長に該当する）。

【００１０】ガス種の分光識別特性はＩＬＳレーザ出力を波長に関して分散することにより
得ることができる。ＩＬＳレーザ出力を分散し、よってガス種の分光識別特性を
得るためには、２種類の検出手法が一般に用いられる。ＩＬＳレーザ出力を波長
が固定された分散分光計に通し、この分光計により分解された特定のスペクトル
領域を多チャネル検出器を用いて記録することができる；名称を「キャビティ内
レーザ分光法(ＩＬＳ)による超高感度ガス検出のためのダイオードレーザでポン
ピングされるレーザシステム」とする、１９９８年５月５日に発行された、ジー
・エイチ・アトキンソン等への米国特許第５,７４７,８０７号を参照されたい。
あるいは、単チャネル検出器で記録される様々なスペクトル領域を選択的に分解
するために、波長をスキャンできる分光計を用いることができる（上記特許を参
照されたい）。

【００１１】従来技術のＩＬＳ検出システムは、検出されるべきキャビティ内ガス種の吸収
スペクトルにおける特性吸収のバンド幅よりもかなり広いスペクトルバンド幅を
有するＩＬＳレーザを用いる；名称を「汚染種の高感度検出のためのキャビティ
内レーザ分光器」とする、１９９７年１１月１８日に発行された、ジー・エイチ
・アトキンソン等への米国特許第５,６８９,３３４号を参照されたい。詳しくは
、そのようなレーザシステムは測定されているガス種の特性吸収のバンド幅より
少なくとも３倍は広い動作波長バンド幅を有している。

【００１２】しかし従来技術のＩＬＳ実施方法は、実験室では実際の使用に成功してはいる
が、多くの市場向け用途には大きすぎ、また複雑すぎる。特に、レーザの分光出
力を分散するために分光計に課せられる要件だけでなく、特性吸収を分析するた
めにコンピュータに課せられる要件も、検出システムをさらに大きく、また複雑
にする。対照的に、市場の現実的制約により、ガス検出器は使いやすい大きさに
つくられ、比較的安価で、信頼性が高くなければならない。

【００１３】すなわち、例えば分光計及びコンピュータの必要を排除することにより、(１)
ＩＬＳ測定法の複雑性を大きく低減し、(２)ＩＬＳ装置の大きさを相当に縮小す
る方法論が必要とされている。

【００１４】発明の概要本発明にしたがえば、ガス試料内の特定の濃度のガス種の存在を検出するため
の方法が開示される。本方法は： (ａ)少なくとも１つの単一連続波長バンド内の光をガス種が吸収することを決
定し、較正された範囲内でガス種の濃度を決定するステップ； (ｂ) (i)レーザキャビティ；及び (ii)利得媒体；を含むＩＬＳレーザを準備するステップ；ここでＩＬＳレーザは、ガス種が吸収
を行っており、ガス種により誘起された吸収が較正された範囲内でレーザの総出
力強度を変化させるのに十分な大きさである、連続波長のバンド内に完全に含ま
れる波長においてのみ動作するように構成される； (ｃ)レーザキャビティを出る前にレーザキャビティに入れられるガス試料を通
る方向に、利得媒体からの出力ビームが向けられるような位置に利得媒体を置く
ステップ；及び (ｄ)レーザの絶対出力パワーまたは出力パワーの相対変化のいずれかを定量的
に測定するために、ＩＬＳレーザを出てくる出力を検出するような位置に検出器
を置くステップ；を含む。

【００１５】さらに、ガス試料中の較正された範囲内の特定の濃度のガス種の存在を検出す
るためのガス検出システムが提供され、ここで、ガス種は少なくとも１つの単一
連続波長バンド内の光を吸収し、よってＩＬＳレーザを出てくる出力強度を特定
の量だけ変化させる。本ガス検出システムは： (ａ) (i)レーザキャビティ；及び (ii)利得媒体；を含むＩＬＳレーザ；ＩＬＳレーザは、ガス種が吸収を行っており、ガス種によ
り誘起される吸収が較正された範囲内でレーザの総出力強度を変化させるのに十
分な大きさである、連続波長バンド内に完全に含まれる波長においてのみ動作す
るように構成される； (ｂ)レーザキャビティ内にガス試料を入れるための容器；この容器により、利
得媒体から出てくる出力ビームがレーザキャビティを出る前にガス試料を通過で
きる；及び (ｃ)ＩＬＳレーザを出てくる出力強度を決定し、よってレーザの絶対出力パワ
ーまたは出力パワーの相対変化のいずれかを定量的に測定するための検出器；を含む。

【００１６】本発明にしたがい、本発明は、従来技術で開示されたいずれのＩＬＳレーザシ
ステムよりも小さく、簡単で、組立費用が少ない、市場向けの汚染種センサシス
テムを創出した。

【００１７】本発明のその他の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付図面の考
察により明らかになるであろう。添付図面を通して、同じ参照数字は同じ要素を
表す。

【００１８】好ましい実施形態の説明本説明に参照される図面は、特に注記した場合を除き、正確な比で描かれては
いないことは当然である。

【００１９】本発明の実施に関して発明者等が現在考えている最良の態様を示す、本発明の
特定の実施形態をここで詳細に参照する。別の実施形態も実施可能な範囲で簡単
に説明する。

【００２０】本発明はＩＬＳセンサを用いる極めて高感度のガス種検出に向けられる。本明
細書に用いられるように、“ガス種”とは、シリコン膜製造に用いられるような
ガス材料中に存在し得る、分子、原子、ラジカル及び／またはイオン種を指す。
したがって、本発明のＩＬＳガス検出システムはガス材料（例えば窒素）中の汚
染種（例えば水）の存在を検出するために用いることができる。あるいは、ガス
配管（例えば窒素ガス配管）がガス材料（例えば窒素）で十分パージされたか否
かを決定するためにＩＬＳ検出を用いることができる。

【００２１】図１ａ及び１ｂは、従来技術のＩＬＳ検出実施方法を簡略に示す。詳しくは、
図１ａには、ＩＬＳレーザ１２，集成分光計装置１４，光検出器１６及び光検出
器からの電気的出力を分析するためのコンピュータ１８を含む、ＩＬＳガス検出
システム１０が示されている。

【００２２】図１ａに描かれるＩＬＳレーザ１２には、利得媒体２０及び、ミラー２６及び
２８の間の全光路長により定められる光共振器２４内に置かれた、ガス試料セル
２２が含まれる。ＩＬＳレーザ１２にはさらに、利得媒体２０に放射光を与え、
よってＩＬＳレーザ１２を駆動する光ポンピング源のような、ポンピング源（図
示せず）が必要であることは当然である。

【００２３】図１ａは、利得媒体２０内で発生されたレーザ光がガス試料セル２２に向けら
れ、セル内のガス試料を通過することを示す。上述したように、光共振器すなわ
ちレーザキャビティ２４内及び、特に、ガス試料セル２２内のガス種は、ＩＬＳ
レーザ１２が動作する波長範囲に特性吸収が位置していれば、吸収損失を導入し
得る。したがって、ＩＬＳレーザ１２の出力ビーム３２を分析して、ＩＬＳレー
ザを出てくる出力ビームがガス種の分光識別特性と同じ特性吸収を含んでいるか
否かを決定することにより、レーザキャビティ２４内で吸収を行っているガス種
の存在を識別することができる。分光識別特性には強度及び波長に関する情報が
含まれることに注意されたい。

【００２４】本明細書で用いられるように、特性吸収は吸収線、すなわち、光強度対波長の
グラフに見ることができる、光強度の単独の極小（すなわち、吸収が極大に達す
る点）及びそのまわりを含む連続波長領域に対応する。吸収線のそれぞれは有限
のバンド幅及び吸収が極大に達する（すなわち出力強度が極小に達する）点を有
する。本発明に関しては、特性吸収を構成する波長の全てが、ガス種が吸収を行
っている波長であるから、特性吸収が重要である。

【００２５】さらに、本明細書に用いられるように、“吸収帯”とは、吸収がそれぞれの波
長で生じている吸収スペクトルの単一の連続波長領域として定義される。したが
って、吸収が見られない領域Ｂで隔てられた２本の吸収線Ａ_１及びＡ_２を吸収ス
ペクトルが含んでいれば、２本の吸収線Ａ_１及びＡ_２は別々の吸収帯に対応する
。しかし２本の吸収線Ａ_１及びＡ_２が極小吸収（すなわち極大出力）で隔てられ
ているだけであれば、２本の吸収線Ａ_１及びＡ_２は単一の吸収帯に対応する。例
えば第１の濃度では分離されて明瞭な吸収線が、第２の、より高い濃度では会合
して合体し、単一の吸収帯を形成することがある。温度、生成時間及びポンピン
グパワーも出力スペクトル及び測定される吸収スペクトルに影響することは当然
である。したがって測定される吸収スペクトルにおける吸収帯の数も、温度、生
成時間及びポンピングパワーにより変化する。

【００２６】ＩＬＳレーザ１２の分光出力を分析するため、ＩＬＳレーザからのＩＬＳ出力
ビーム３２は、出力ビームを波長に関して分散する、集成分光計装置１４に送ら
れる。図１ａでは、ＩＬＳレーザ１２を出てくる出力ビーム３２を分散するため
に、回折格子３８及び４０が用いられる。回折格子３８及び４０に入射する前に
レンズ３４及び３６が出力ビーム３２を拡大する。レンズ４２が、集成分光計装
置１４の出力を光検出器１６に集束する。

【００２７】従来技術の方法の１つでは、(１)集成分光計装置１４が波長に関してスキャン
させることができる分散光学素子を含み、また(２)光検出器１６が単チャネル検
出器を含む。図１ａは、このスキャンを行う分散光学素子を回折格子３８として
描いている。

【００２８】レーザキャビティ２４内のガス種の分光識別特性は、集成分光計装置１４を通
して送られる光が（単チャネル）光検知器１６の前面に置かれた適切なアパーチ
ャ４６を通過している間に、分散光学素子（回折格子３８）をスキャンさせるこ
とにより得られる（アパーチャ４６は単にスリットからなっていてよい）。回折
格子３８をスキャンさせている間に集成分光計装置１４を通して送られた光の強
度は、光検出器１６で測定される。光検出器１６はこの強度を表す電気信号を出
力する（例えば、電気信号をＩＬＳレーザ強度に比例させることができる）。さ
らに、分光計はそれぞれの波長を表す電気信号をコンピュータ１８に送る。この
ようにして、コンピュータ１８は光検出器１６で決定された強度を集成分光計装
置１４で決定された波長と相関させる。すなわち、集成分光計装置１４及び光検
出器１６はコンピュータ１８とともに動作して、ＩＬＳレーザ１２から出てくる
出力ビーム３２のスペクトル分布の測定を可能にする。

【００２９】図１ｂは従来技術のＩＬＳ検出法から得られたその種のデータを簡略に示す。
曲線４８は、波長をスキャンし、集成分光計装置１４を通して送られた光の強度
を測定することにより得られた、典型的な分光分散ＩＬＳレーザ出力スペクトル
（すなわち吸収スペクトル）を表す。特性吸収が位置する波長において、ＩＬＳ
レーザ１２の強度が減衰している。矢印４９が５つのそのような特性吸収を示し
ている（曲線５０は吸収を行ういかなるガス種も存在しないＩＬＳレーザ１２の
スペクトル分布を示す）。

【００３０】コンピュータ１８はガス種を同定するために曲線４８で示される吸収スペクト
ルを用いることができる。詳しくは、ＩＬＳレーザ１２の出力スペクトル内に数
多くの特性吸収を含む吸収スペクトルが測定されて、測定されるべきガス種の既
知の分光識別特性と比較される。検出されるべきガス種を一意的に同定するため
に、そのガス種の特定の特性吸収の位置及び相対強度を利用することができる。
レーザキャビティ２４内にあるキャビティ内ガス種の濃度または量は、吸収の大
きさが前もって既知の濃度で較正されていれば、吸収スペクトルに見られる特性
吸収の大きさから決定することができる。

【００３１】従来技術の別の方法では、(１)ＩＬＳレーザ１２から出てくる出力ビーム３２
に固定分散光学素子を有する（すなわち回折格子３８及び４０がスキャンされな
い）分光計を通過させ、(２)光検出器１６が多チャネル検出器アレイを含む。Ｉ
ＬＳレーザ１２が動作するスペクトル領域は集成分光計装置１４により与えられ
て、（多チャネルアレイ）光検出器１６の面上で空間的に変位させられる。光検
出器４６の前面に置かれるアパーチャ４６は（もしあれば）検出器アレイの複数
の検出器を照射できるように十分大きく、よって多数の波長が検出器アレイの多
数の検出器により同時に観測される。

【００３２】したがって、集成分光計装置１４により分解される特定のスペクトル領域は、
（多チャネルアレイ）光検出器１６で同時に測定される。コンピュータ１８は、
（多チャネルアレイ）光検出器１６を操作し、光検出器の多数の検出器から測定
された強度を読み込む。さらに、集成分析計装置１４は集成分析計装置１４によ
り分解された波長を表す電気信号をコンピュータ１８に送る。コンピュータ１８
は（多チャネルアレイ）光検出器１６及び集成分光計装置１４からの電気信号を
それぞれ強度及び波長に変換するようにプログラムされる。このようにして、コ
ンピュータは光検出器１６で決定された強度を集成分光計装置１４で決定された
波長と相関させる。

【００３３】すなわち、集成分光計装置１４及び（多チャネルアレイ）光検出器１６はコン
ピュータ１８とともに動作して、ＩＬＳレーザ１２から出てくる出力ビーム３２
のスペクトル分布を測定して記録する。図１ｂに示したものと同様の吸収識別特
性を得ることができる。

【００３４】上述したように、レーザキャビティ２４内のガス種を同定するために分光識別
特性が用いられる。コンピュータは、ＩＬＳレーザ１２の出力スペクトル内に数
多くの特性吸収すなわち吸収線を含む測定された吸収帯を記録し、測定されるべ
きガス種の既知の分光識別特性とこれらを比較する。吸収の大きさが既知の濃度
を用いて較正されてさえいれば、分光識別特性に見られる特性吸収の大きさから
キャビティ内ガス種の濃度を決定することができる。

【００３５】しかし、従来技術の上記の方法は、特性吸収に対応する波長を含む複数の波長
におけるだけではなく、吸収が極大の特性吸収のまわりの波長領域においても、
強度を測定して記録することにより強度対波長のグラフを効率よく生成するため
にコンピュータ１８を必要とすることは当然である。

【００３６】対照的に、本発明の方法は上記の従来技術の手法より概念的にかなり単純であ
る。本発明の方法は、複数の波長にわたる強度分布を測定するのではなく、既定
の波長領域内で、ＩＬＳレーザ１２により動作時に、すなわち光発生時にどれだ
けの大きさの出力強度が与えられるかの決定だけを必要とする。本発明の方法は
本質的に、ＩＬＳレーザ１２が動作している全波長領域にわたる吸収の総変化を
利用する。すなわち、レーザ出力を分散することによる従来技術の方法で測定さ
れていた特性吸収が、本発明の方法ではＩＬＳレーザ１２の総出力強度への影響
に利用される。ＩＬＳレーザ１２のスペクトル内の多数の特性吸収を測定して記
録することは必要ではない。

【００３７】本発明の方法は、別の観点において、ＩＬＳガス検出のための従来技術の方法
とは概念的に異なる；すなわち、本発明に用いられるＩＬＳレーザ１２は、関係
する特性吸収のバンド幅と同程度なバンド幅を有することが好ましい。従来技術
のＩＬＳ検出方法は、検出されるべきキャビティ内ガス種にともなう個々の特性
吸収のバンド幅よりかなり広いスペクトルバンド幅を有する、ＩＬＳレーザ１２
を用いる。詳しくは、従来技術のＩＬＳレーザ１２では、測定されているガス種
の特性吸収のバンド幅より少なくとも３倍は広い動作波長バンド幅を有すること
が好ましい。

【００３８】いくつかの理由により、ガス種により与えられる特性吸収のバンド幅よりかな
り広い波長バンド幅を有するＩＬＳレーザ１２の使用が好まれる。上述したよう
に、分光識別特性の様々な特性吸収が、検出されるべき特定のガス種の同定に際
してコンピュータ１８の役に立つ。すなわち、吸収を行っているガス種の従来技
術の同定方法は、１つより多い特性吸収を含むのに十分な広さのスペクトルバン
ド幅を有するＩＬＳレーザ１２に依存する。さらに、ＩＬＳ手法の高められた検
出感度は主に多モードレーザの非線形利得と損失との競合から得られるため、多
数の縦モードを有するＩＬＳレーザ１２が最も有利である。したがって、従来技
術の方法は多数の縦モードを含むのに十分な広さのスペクトルバンド幅を有する
ＩＬＳレーザ１２を用いる。

【００３９】しかし、本発明の第１の実施形態のＩＬＳレーザは、測定されているキャビテ
ィ内ガス種にともなう吸収帯の内の１つのバンド幅と同程度かまたはそれより狭
い動作バンド幅を有することが好ましい。さらに、本発明の方法を用いて好結果
を得るためには、ＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅が吸収帯に正に重なるように
同調されなければならない（上で論じたように、吸収帯は単一の特性吸収または
複数の連続する特性吸収を含み得る）。

【００４０】ＩＬＳレーザ１２のとり得るバンド幅すなわち動作バンド幅（Δν_レーザ）は
、利得媒体２０が動作し得る波長領域、ミラー２６及び２８の分光特性、及び光
共振器２４内の光素子のそれぞれが伝えている光の波長領域により定められる。
詳しくは、Δν_レーザは利得媒体２０のバンド幅並びにミラー２６及び２８のバ
ンド幅、さらにその他の全ての個々のキャビティ内光素子、例えばレーザキャビ
ティ２４内のペリクルまたは複屈折同調素子のバンド幅の、たたみこみにより定
められる。

【００４１】好ましくは、ＩＬＳレーザの動作バンド幅の、（例えば、１つの特性吸収また
は複数の連続する特性吸収を含む）吸収帯の前記重なり部分のバンド幅に対する
比は１対１である。ＩＬＳレーザの動作バンド幅は、(１)多モード動作を維持す
るには十分に広いが、(２)注目するガス種にともなう吸収帯にしか重なり得ない
ように十分に狭いことがさらに好ましい。以降、吸収帯の重なり部分はＷ_吸収と
、またそのバンド幅はΔν_吸収と表される。

【００４２】上述したように、多モード動作が可能な十分に広いバンド幅を有するＩＬＳレ
ーザ１２を用いれば、ＩＬＳで達成可能な高められた検出感度が維持される。し
かし、ＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅は検出されるべきガス種にともなう吸収
帯にしか重なり得ないように十分に狭いから、レーザからの光出力の強度はガス
種の濃度が変化するとともに量的に変化するであろう。

【００４３】吸収を行っているガス種のバンド幅の重なり部分,Δν_吸収と、ＩＬＳレーザ
１２のバンド幅,Δν_レーザが同程度である（すなわち、Ｗ_吸収がＷ_レーザに完
全に重なる）場合には、キャビティ内ガス種による吸収がレーザで発生される光
の量を制限することができる。ＩＬＳレーザ１２は吸収損失が見られる波長領域
では効率よく動作することができない。吸収を行っているガス種が存在すれば、
ＩＬＳレーザ１２が動作し得る唯一の領域が吸収帯に占有され、レーザの動作が
妨げられる。

【００４４】ガス種の濃度が高くなるほど、吸収損失が大きくなり、その損失に打ち勝つの
に十分な光(すなわち利得)を利得媒体２０で発生させるという課題がますます達
成困難になる。すなわち、キャビティ内ガス種の濃度が高くなるにつれて、ＩＬ
Ｓレーザ１２からの光出力の強度は低下するであろう。キャビティ内吸収体濃度
の関数としての光出力強度は、ＩＬＳセンサの較正に用いることができる。この
アイデアは、非線形光学特性、複屈折フィルタ及びこれらの併用の上で、有効で
あり得る。

【００４５】したがって、本発明のＩＬＳ法を用いる場合、吸収を行っているガス種の濃度
を定量的に決定するためには、ＩＬＳレーザ１２の出力の強度だけを測定すれば
よい。

【００４６】図２ａ及び２ｂは、ガス試料中のガス種の検出に向けられる、本発明の方法及
び装置を簡略に示す。詳しくは、図２ａは本発明にしたがって組み立てられたＩ
ＬＳガス検知システム１０の断面を示し、図２ｂはＩＬＳレーザの２つの相異な
る動作条件についての本発明のＩＬＳレーザの総出力パワーの、強度及び濃度を
座標とする、グラフである。

【００４７】本発明のＩＬＳガス検知システム１０は単に、ＩＬＳレーザ１２及び絶対レー
ザ出力強度またはレーザ出力強度の相対変化のいずれかを定量的に測定する光検
出器１６を含む。

【００４８】図２ａに示される本発明の実施形態に描かれているように、ＩＬＳレーザ１２
は利得媒体２０，ガス試料セル２２，及び波長選択性光素子５２を含み、これら
は全てミラー２６と２８との間に形成される光共振器２４内に置かれる。

【００４９】図２ａに示されるレーザキャビティ２４は線型キャビティであるが、別のキャ
ビティ構造も本発明にしたがって用い得ることは当然である。そのような別のキ
ャビティ構造は、ＩＬＳレーザ１２のとり得る(すなわち動作)波長バンド幅,Δ
ν_レーザが、検出されるべきガス種にともなう吸収帯の重なり部分のバンド幅,
Δν_吸収と同程度である、すなわち１対１に整合するかあるいはΔν_吸収内にち
ょうど収まる限り、許容される。

【００５０】図２ａに示されるＩＬＳレーザでは、波長選択性光素子５２が、(１)バンド幅
を狭め、(２)ＩＬＳレーザの波長を同調するはたらきをする。詳しくは、ＩＬＳ
レーザ１２が吸収帯の重なり部分のバンド幅以下の動作バンド幅を確実に有する
ように、波長選択性光素子５２が選ばれる。さらに、波長選択性光素子５２は、
ＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅が、例えば１つの特性吸収または複数の連続す
る特性吸収を含む吸収帯と一致するように同調されることを保証する。

【００５１】図２ａに示される波長選択性光素子５２は、所要の狭バンド同調が得られる薄
い高反射率ファブリー−ペローエタロンとしてはたらく金属化ペリクルを含む。
金属化により、エタロンの仕上精度が向上し、バンド幅が狭められ、よって狭帯
域バンドパスフィルタがつくられる。ＩＬＳレーザ１２の適切な波長への同調は
所望の波長を通過させる角度までエタロンを回転することにより達成できる。本
発明に適切に用い得るその他の波長選択性光素子５２の例には、光バンドパスフ
ィルタ、回折格子、プリズム、電気光学バンドパスフィルタ、単板及び多板複屈
折フィルタ、及びこれらの組合せがある。

【００５２】ＩＬＳレーザ１２のとり得る(すなわち動作)波長バンド,Ｗ_レーザ (及びバン
ド幅,Δν_レーザ)が利得媒体２０及び、レーザキャビティ２４内に置かれる光コ
ンポーネント上に形成されるいかなる光学コーティングにも、ミラー２６及び２
８上に形成されるいかなる光学コーティングにも、依存することは当然である。
したがって、レーザキャビティ２４内に波長選択性光素子５２を入れる代わりに
、利得媒体２０及びＩＬＳレーザ１２に用いられる光コンポーネント、例えばミ
ラー２６及び２８、あるいはガス試料セル２２の窓のいかなるコーティングも、
あるいは利得媒体２０のコーティングも、上述した態様で測定されるべきガス種
にともなう吸収帯だけに重なるように、ＩＬＳレーザのとり得る(すなわち動作)
バンド幅,Ｗ_レーザを狭めて同調するために構成することができる。

【００５３】さらに、ＩＬＳレーザ１２がその閾値でまたは閾値より若干上でＩＬＳレーザ
を駆動するためのポンピング源(図示せず)を必要とすることも当然である。例え
ば、利得媒体２０に放射光を与える光ポンピング源を用いることができる。しか
し図２ａに描かれるＩＬＳレーザについては、ＩＬＳレーザ１２のとり得る（す
なわち動作）波長バンド,Ｗ_レーザは、利得媒体２０が動作し得る波長バンド、
ミラー２６及び２８が反射している波長バンド、ミラー２８が透過させている波
長バンド、さらにレーザキャビティ２４内のその他のいずれのキャビティ内光素
子(例えば波長選択性光素子)もがそれぞれ伝えている波長バンドのたたみこみに
より定められる。

【００５４】図２ａは、利得媒体２０内で発生したレーザ光がガス試料セル２２に向けられ
て、その中のガス試料を通過することを示す。上述したように、レーザキャビテ
ィ２４内及び、特にガス試料セル２２内のガス種が、吸収損失をもたらし得る。
しかし本発明にしたがえば、ＩＬＳレーザ１２のとり得るバンド幅,Δν_レーザ
は測定されているガス種にともなう吸収帯,Ｗ_吸収の重なり部分のバンド幅,Δν _吸収と同程度である。よって、キャビティ内ガス種による損失はＩＬＳレーザ１
２の出力パワーを減少させるであろう。したがって、ガス種の濃度を決定するた
めには、明確に定められた動作条件内でＩＬＳレーザ１２が較正されなければな
らない。レーザから出てくる出力ビーム３２は光検出器１６で直接に検出される
。

【００５５】最も簡単な形態において、光検出器１６はフォトダイオード、光伝導体、また
は光電子増倍管のような単チャネル検出器である。その他の検出器も本発明に適
切に用いることができる。光検出器１６の唯一の要件は、検出器がＩＬＳレーザ
ビーム３２を検知し、結果としての電気信号をつくりだすことができなければな
らないことである。したがって、光検出器１６から伸びる電気出力端子５４が図
２ａに描かれている。

【００５６】本発明のガス検出システム１０は、集成分光計装置１４もコンピュータ１８も
用いられていない点が、図１ａに示される従来技術のシステムと異なる。図２ａ
に描かれるガス検出システム１０は、走査を行う分散光学素子も、多チャネル検
出器アレイも、光検出器１６の前面に置かれるスリットも必要としない。

【００５７】さらに、従来技術に示される光検出システム１０は、検出されるべきガス種に
ともなう吸収帯にのみ一致させるためにＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅を狭め
て同調する波長選択性光素子５２を、レーザキャビティ２４内に含んでいない。

【００５８】ＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅が、重ねられる吸収帯のバンド幅よりかなり
広い従来技術の方法では、高濃度の吸収を行っているガス種がレーザキャビティ
２４内に存在する場合にもレーザは動作し続けるであろう。ＩＬＳレーザ１２の
とり得る全利得バンド幅より狭い光損失により、吸収損失が無いかまたは低めら
れる波長領域への光エネルギーの再分布がレーザに生じるであろう。すなわち、
レーザは別の波長においてのみ動作を続けるであろう。

【００５９】対照的に、吸収損失がＩＬＳレーザ１２の全動作バンド幅,Δν_レーザの大部
分を確実に占めることにより、本発明は別の波長への光エネルギーの再分布を抑
制する。

【００６０】ＩＬＳは従来技術の方法より高められた感度を提供するから、かつては測定さ
れなかった弱い遷移が本発明のガス検出システム１０により初めて測定可能とな
り得る。様々な特性吸収のスペクトル上の位置を示す、ＩＬＳレーザ１２をどこ
に同調させるべきかについての知識を、注目するガス種の分光学的研究から得な
ければならない。ＩＬＳレーザ１２の分光出力を１つ(または複数の)特性吸収に
整合させるためには、ＩＬＳレーザ１２の波長及び動作バンド幅をいかにして光
学的に制御するべきかについての理解も必要である。

【００６１】さらに、誤って真と読み取られる信号を生じさせ得るスペクトル干渉がおこる
可能性を排除するために、ある与えられたガス試料に存在する可能性があるいか
なる付加的ガス種についても分光学的研究が必要である。そのような付加的ガス
種が検出されてはならない場合には、ＩＬＳレーザ１２の分光出力をそのような
ほかのガス種でつくられるいかなる特性吸収からも離して同調させなければなら
ない。そうすれば、その他のガス種による特性吸収からの潜在的寄与は、ＩＬＳ
レーザ１２が光を放射する波長領域に存在しないであろう。すなわちＩＬＳレー
ザ１２の動作波長は、(１)検出されるべきガス種にともなう特性吸収に一致し、
(２)注目していないガス種からのスペクトル干渉を避けるように選ばれなければ
ならない。上述の要件が満足されれば、ＩＬＳレーザ１２の出力とのスペクトル
相互作用は測定されるべきガス種による吸収のみに帰するであろう。したがって
ＩＬＳレーザ１２の出力強度により、較正されていれば、検出されるガス種の濃
度が正確に測定されるであろう。

【００６２】ＩＬＳレーザ１２が動作する、選ばれたスペクトル領域は、測定されているガ
ス種にともなう吸収帯のみに一致するから、ガス種が何であるかがわかる。

【００６３】明確に定められた動作条件の下でＩＬＳレーザ１２の出力強度をレーザキャビ
ティ２４内の既知のガス種濃度で較正することにより、ガス種の濃度がわかる。
この濃度は、温度、圧力、レーザ利得、生成時間(ｔ_ｇ)すなわちキャビティ内モ
ードの許容競合時間、及びＩＬＳレーザ１２の出力強度を変えるその他のいかな
るパラメータも含む、特定の動作パラメータの組合せに依存する。ガス検出シス
テム１０が較正された状態にあることを保証するためには、上記の動作パラメー
タが一定に保たれなければならないことは当然である。あるいは、上記の動作パ
ラメータを変えることにより、ガス検出システムの較正された感度が変わり、よ
ってガス検出システムのダイナミックレンジを拡げるための、様々な明確に定め
られた動作条件の下での多重較正が可能になる。いずれにしても、広範囲な使用
で較正を維持するガス検出システム１０を構成するためには、ＩＬＳレーザ１２
の出力強度に影響する特定の動作パラメータについての知識が必要である。

【００６４】ここで図２ｂを参照すると、汚染種濃度に対するＩＬＳレーザ１２の出力強度
が異なる２つの動作条件について示されている。曲線５６は、閾値近くで動作し
ているＩＬＳレーザ１２に対応し、汚染種濃度の小さな変化に対してレーザ出力
強度はより感度の高い変化を示している。レーザがもはや閾値に達せず、レーザ
動作が停止する点まで汚染種濃度が増加する、特殊な事例も表されている。曲線
５８は、閾値のはるか上で（すなわちより高利得で）動作しているＩＬＳレーザ
１２に対応し、汚染種濃度のある与えられた変化に応答するレーザ出力の変化は
曲線５６で実証された動作条件での場合よりも小さい。しかし、曲線５８で実証
された動作条件の下では、ガス検出システムのダイナミックレンジが広くなって
いる。曲線５８はまた、レーザがもはや閾値に達せず、レーザ動作が停止する点
まで汚染種濃度が高くなる特殊な事例も表している。しかし、曲線５８で実証さ
れる動作条件に対しては、汚染種濃度がより高くなるまで、レーザ出力は閾値ま
で下がらない。

【００６５】次に図３を参照すると、本発明の別の実施形態が示される。本発明にしたがえ
ば、図３に描かれるＩＬＳレーザ１２のとり得る（すなわち動作）波長バンド幅
（Δν_レーザ）は、測定されるべきガス種にともなう吸収帯すなわち領域（Ｗ_吸 _収）に排他的に一致するのに十分に狭い。したがって、波長選択性光素子５２は
レーザキャビティ２４内に挿入されていない。

【００６６】上で論じたように、“吸収帯”は吸収がそれぞれの波長でおこる吸収スペクト
ルにおける単一の連続波長領域として定義される。したがって、吸収が見られな
い領域,Ｂにより隔てられた２本の吸収線,Ａ_１及びＡ_２を吸収スペクトルが含ん
でいれば、２本の吸収線,Ａ_１及びＡ_２は別々の吸収帯に対応する。しかし、２
本の吸収線,Ａ_１及びＡ_２が極小吸収（すなわち極大強度）で隔てられているだ
けであれば、２本の吸収線,Ａ_１及びＡ_２は単一の吸収帯に対応する。

【００６７】本発明にしたがえば、図３に描かれるガス検出システム１０は、ＩＬＳレーザ
１２及び光検出器１６を含む。ＩＬＳレーザ１２はミラー２６及び２８で定めら
れるレーザキャビティ２４内に位置する利得媒体２０を含む。レーザキャビティ
２４は線型キャビティであり、利得媒体２０はイオンドープ結晶を含む。第１の
ミラー２６はイオンドープ結晶の一端６０上に反射コーティングを被着すること
により形成される。第２のミラー２８は曲面反射器を含む。

【００６８】図３に示されるレーザキャビティ２４は線型キャビティであるが、別のキャビ
ティ構造も本発明にしたがって用い得ることがことは当然である。そのような別
のキャビティ構造は、ＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅,Δν_レーザが、検出さ
れるべきガス種にともなう吸収帯の重なり部分のバンド幅と同程度である限り、
すなわち１対１で整合するかあるいはその中にちょうど収まる限り、許容できる
。

【００６９】本発明のこの第２の実施形態において、利得媒体２０として用いられるイオン
ドープ結晶は、Ｔｍ^３＋:Ｔｂ^３＋:ＹＬＦ結晶である。しかし、考えられる用途
に適したその他のイオンドープ結晶も用い得ることは当然である。したがって、
以下に列挙されるイオンドープ結晶を含む、本明細書に特定的に開示されるイオ
ンドープ結晶が全てを網羅しているはずであるとは考えていない。

【００７０】本発明の方法及び装置に適切に用い得るイオンドープ結晶の例には、Ｃｒ:Ｔ
ｍ:Ｈｏ:ＹＡＧ，Ｃｒ^４＋:ＹＳＯ，Ｃｒ^４＋:ＹＡＧ，Ｃｒ^４＋:ＹＳＡＧ，Ｅ
ｒ^３＋:ＧＳＧＧ，Ｅｒ^３＋:ＹＳＧＧ，Ｅｒ^３＋:ＹＬＦ，Ｅｒ^３＋:Ｙｂ^３＋:
ガラス，Ｈｏ^３＋:ＹＳＧＧ，Ｈｏ^３＋:Ｔｍ^３＋:ＬＵＡＧ，Ｔｍ^３＋:Ｈｏ^３＋ :ＹＬＦ，Ｔｍ^３＋:Ｈｏ^３＋:ＹＡＧ，Ｔｍ^３＋:ＣａＹＳＯＰ，Ｔｍ^３＋:Ｙ
ＬＦ，Ｔｍ^３＋:ガラス，Ｔｍ^３＋:ＣａＬａＳＯＰ，Ｔｍ^３＋:ＹＯＳ，Ｔｍ
^３＋:ＹＳＧＧ，Ｔｍ^３＋:ＹＡＧ，Ｔｍ^３＋:ＹＶＯ_４，Ｙｂ^３＋:ＹＡＧ，Ｃｒ
:ケイ酸マグネシウム，Ｅｒ:Ｙｇ:ガラス，ＣＯ_２:ＭｇＦ_２，Ｃｒ^２＋:ＺｎＳ
ｅ，及びＣｒ^２＋:ＺｎＳ/ＺｎＳｅ/ＺｎＴｅがある。その他の材料も、ガスで
あろうと、液体であろうと、あるいは固体であろうとも、利得媒体２０として用
いることができる。

【００７１】図３はさらに、レーザキャビティ２４内に位置するガス試料セル２２を示す。
ガス試料セル２２はレーザコンポーネントからガス試料を隔離する。非腐食性ガ
ス試料に対してはガス試料セル２２が必要でないことは当然であり、この場合に
は、ガス試料を全レーザキャビティ２４内に入れることができる。

【００７２】ガス試料セル２２には流入導管６２及び流出導管６４が設けられる。セルの窓
６６及び６８のそれぞれはガス試料セル２２の両遠位端に取り付けられ、ビーム
７０に分析されるべきガス試料を通過させる。また、窓６６及び６８はガス試料
セル２２を封止する。

【００７３】ガス試料セル２２がＩＬＳレーザ１２を収めるチャンバ７２内に存在する場合
には、検出されるべきガス種がチャンバから除去または排除される必要がある。
チャンバ７２からガス種を除去することにより、ガス検出システム１０を用いて
得られるシステム応答は、ガス試料セル２２内に入れられたガス種の存在及び量
を正確に示す。チャンバ７２からガス種をパージするか排気した後に、（例えば
ガス試料が腐食性ガスを含む場合には）ガス試料が流入導管６２及び流出導管６
４を介してガス試料セル２２に供給される。しかし、ガス試料がレーザコンポー
ネントと化学的な反応をおこさないような場合には、ガス試料をチャンバ７２に
通すことができる。

【００７４】上で論じたように、ＩＬＳレーザ１２には利得媒体２０を励起するためのポン
ピング源７４が必要である。イオンドープ結晶利得媒体２０の光励起は、半導体
ダイオードレーザ７６を含むポンピング源７４により与えられる。

【００７５】ポンピング源７４は、ＩＬＳレーザ１２を駆動する、コヒーレントであるかイ
ンコヒーレントであるか、連続波かパルス波かの、適当ないかなる光ポンピング
源も含み得ることは当然である。例えばポンピング源７４はその代わりに、固体
結晶レーザ（例えばＮｄ:ＹＡＧ）、ガスレーザ、１つないしそれ以上のフラッ
シュランプ、ファイバレーザ、またはＩＬＳレーザ１２のポンピングに適当なそ
の他のいかなるポンピング源も含み得る。

【００７６】図３は、電源７８により電力が与えられ、また熱電冷却器８０により冷却され
ている半導体ダイオードレーザ７６を示す。半導体ダイオードレーザ７６及び熱
電冷却器８０は、半導体ダイオードレーザで発生する熱を放散するために与えら
れたヒートシンク８２に搭載される。

【００７７】しかし、ポンピング源７４として半導体ダイオードレーザ７６を使用すると、
半導体ダイオードレーザ７６とＩＬＳレーザ１２との間の光整合を容易にするた
めのビーム整形光学系８４が一般に必要である。ビーム整形光学系の例には、回
折光学系、屈折光学系、屈折率が軸方向で変化する分布屈折率光学系、屈折率が
径方向で変化する分布屈折率光学系、微小光学系、及びこれらの組合せがある。
図３は、一対のアナモルフィックプリズム８６及び一対のレンズ８８を含む、巨
視的光学系からなるビーム整形光学系８４を示す。あるいは、ビーム拡大望遠鏡
または半導体ダイオードレーザ７６から数μｍ以内に置かれた微小光学系を用い
ることもできる。

【００７８】図３はさらに、ビーム整形光学系８４と利得媒体２０との間に挿入された第１
の変調器９０を示す。第１の変調器９０は変調器ドライバ９２により電力が与え
られ、制御される。第１の変調器９０は半導体ダイオードレーザ７６から出てく
るポンピングビーム９６を交互に減衰及び透過し、よってポンピングビームによ
る利得媒体２０のポンピングを周期的に妨げる。このようにして、第１の変調器
９０はポンピングビーム９６に利得媒体２０の再帰的なポンピングをおこさせ、
よってＩＬＳレーザ１２がオンとオフの間で切り換えられる。

【００７９】第２の変調器９４が、ＩＬＳレーザ１２を出てくる出力ビーム３２の行路に挿
入される。第２の変調器９４はレーザキャビティ２４を出てくる出力ビームを交
互に減衰及び透過し、よって、出力を光検出器１６に通すことによるＩＬＳレー
ザ１２からの出力ビームの周期的なサンプリングを行う。

【００８０】第１の変調器９０がポンピングビーム９６の全強度を周期的に利得媒体２０に
到達させ、一方第２の変調器９４が出力ビーム３２の全強度を周期的に光検出器
１６に到達させるように、第２の変調器９４は第１の変調器９０と同期される。
両変調器９０及び９４を用いることにより、利得媒体２０における利得がガス種
により生じる吸収損失と競合する時間の長さの制御が与えられる。詳しくは、生
成時間,ｔ_ｇの値を２つの変調器９４及び９４を用いて調節することができる。
本明細書で用いられるように、“生成時間”は、測定の前にＩＬＳレーザ１２内
でモード競合が生じている時間として定義される。（あるいはポンピング源７４
の出力をパルス化し、よってポンピングビーム９６を低強度値と高強度値との間
で交互させて、利得媒体２０を交互に閾値の下及び上（または閾値）におくこと
により、第１の変調器９０及び／または第２の変更器９４を使用せずに、生成時
間,ｔ_ｇを変えることができる）。

【００８１】ポンピングの中断は、機械的に動作するチョッパ、電気光学または音響光学変
調器及びシャッタの使用を含むが、これらには限定されない、様々な手段を用い
て達成することができる。あるいはポンピング源７４（例えば半導体ダイオード
レーザ７６）に供給される電力を変え、よってレーザ動作に必要な閾値のすぐ上
及びすぐ下に利得媒体２０を周期的におく、高強度値及び低強度値との間の変動
を半導体ダイオードレーザの出力に生じさせることができる。

【００８２】さらに、第２の変調器９４は音響光学変調器を含むが、機械的に動作するチョ
ッパまたはシャッタのようなその他の器具も本発明の方法及び装置に適切に用い
得ることは当然である。あるいは、第２の変調器９４を用いる代わりに、光検出
器１６をオンとオフの間で交互に切り換えて、ＩＬＳレーザ１２の出力を周期的
にサンプリングすることもできる。

【００８３】図３は光検出器１６に向けられているＩＬＳレーザ１２からの出力ビーム３２
を描いている。その代わりに、ＩＬＳレーザ１２からの光出力を光ファイバリン
ク、すなわち光ファイバまたは光ファイバ束を介して、光検出器１６が置かれて
いる離れた場所に送り得ることは当然である。

【００８４】上で論じたように、本発明のＩＬＳレーザ１２のとり得る（すなわち動作）波
長バンド,Ｗ_レーザは、測定されるべきガス種の吸収スペクトルの単一吸収帯す
なわち領域に排他的に一致するのに十分に狭いことが好ましい。利得媒体２０が
Ｔｍ^３＋:Ｔｂ^３＋:ＹＬＦを含む、図３に示されるＩＬＳレーザ１２については
、その波長バンド幅が水蒸気の吸収スペクトルの単一吸収帯に直接に重なる。

【００８５】水蒸気についての吸収データを、第１の変調器９０が用いられていないことを
除き、図３に簡略に示したものと同様のＩＬＳレーザ１２を用いて得た。その代
わりに、半導体ダイオードレーザ７６への電力を変調した。さらに、ＩＬＳレー
ザ１２の出力を分散し、よって図４に描かれるグラフをつくるために、図１ａに
示したものと同様の集成分光計装置１４が必要であった。ただし、ＩＬＳレーザ
１２は、半導体ダイオードレーザ７６で光励起された、Ｔｍ^３＋:Ｔｂ^３＋:ＹＬ
Ｆからなるイオンドープ結晶を含んでいた。

【００８６】図４は窒素ガス中の高濃度の水蒸気についての正規化レーザ強度／水の吸収対
波長のグラフを示す。図４は１４５０ｎｍから１４５５ｎｍの波長領域での水蒸
気の分光識別特性を示している。１４５２.５ｎｍ及び１４５２.１ｎｍにある水
の吸収線がそれぞれ矢印９８及び１００で示されている。これらの２本の吸収線
は極小吸収により隔てられた特性吸収と考えられる。これらの２本の吸収線は合
同し、よってダイオードでポンピングされたＴｍ^３＋:Ｔｂ^３＋:ＹＬＦのバンド
幅内で一致する単一の吸収帯すなわち領域を形成する。図４は、ダイオードレー
ザでポンピングされたＴｍ^３＋:Ｔｂ^３＋:ＹＬＦＩＬＳレーザのバンド幅が２
本の水の吸収線によりつくられる水の吸収帯とおおよそ同程度である（実際には
水の吸収帯より若干広い）ことを示す。濃度が十分高い場合には、これらの２本
の吸収線を含む吸収帯すなわち領域はＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅に重なり
、これを包含する（すなわち、少なくともＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅より
広い）。したがって、ＩＬＳレーザ１２からの出力強度は低下されるかまたは失
われる。

【００８７】レーザ強度／水の吸収対窒素ガス中の水の濃度（単位：体積で１兆分の１）の
グラフが図５に示される（インライン型ガス純化器を窒素ガスからの水分除去に
用いた）。図５は、濃度が高くなるにつれて吸収線におけるＩＬＳレーザ１２か
らの光出力の強度がどのように低下するかを示している。

【００８８】実験データに基づく曲線１０２は、水蒸気濃度が高くなるとともにＩＬＳレー
ザ１２の出力強度が減少する傾向を確証している。曲線１０２にフィッティング
させた曲線１０４は、水蒸気濃度を曲線１０２で示されるより高い濃度まで外挿
したときのＩＬＳレーザ１２の強度を示す。曲線１０４は、十分高い水蒸気濃度
ではＩＬＳレーザ１２の出力が完全に消失するであろうことを示している。

【００８９】すなわち、ＩＬＳレーザ１２がとり得るすなわち動作バンド幅,Δν_レーザが
測定されているキャビティ内ガス種に起因する吸収帯の重なり部分のバンド幅,
Δν_吸収と同程度である場合には、本発明の方法及び装置を前記ガス種の同定及
び濃度測定のいずれにも利用することができる。

【００９０】本発明の方法を利用することにより、ＩＬＳレーザ１２の出力の波長分散のマ
ッピングに依存する従来技術のＩＬＳ検出器よりも、かなり小さく、単純で、安
価であり、使用が容易なＩＬＳガス検出システム１０が得られる。より小さく、
より低コストで、操作が簡単であることの結果として、本発明のガス検出システ
ム１０を、ガス検出において全く別個の様々な用途に向けることができる。

【００９１】以上、既定の濃度のガス種の存在を検出するための方法及び装置を開示した。
特許請求の範囲に表明される本発明の範囲を逸脱することなく、本明細書に述べ
られた要素の構成及び配置に様々な改変がなされ得ることが、当業者には容易に
明らかであろう。さらに、ガス検出システム１０の適用対象も、例えば半導体製
造ラインのような、ＩＬＳガス検出器の設置場所も、所望に応じて変えることが
できる。例えば、ＩＬＳチャンバ７２内の様々な要素の特定の配置及びガス検出
システム１０自体を、それらの構成及び配置がＩＬＳレーザ１２の光励起を容易
に再現可能な態様で適切に可能にする限り、改変することができる。現在知られ
ているかまたは今後当業者により案出される、本発明の構成、配置及び適用にお
ける上記及びその他の改変は、特許請求の範囲で考慮されている。

【図面の簡単な説明】

【図１ａ】ＩＬＳレーザ、集成分光計装置、光検出器、及び光検出器からの電気的出力を
分析するためのコンピュータを含む、従来技術のガス検出システムを描いた断面
図である

【図１ｂ】従来技術のＩＬＳレーザの、(i)吸収を行うガス種がレーザキャビティ内に存
在する場合及び(ii)吸収を行うガス種がレーザキャビティ内に存在しない場合の
スペクトル分解された出力の、強度及び波長を座標とするグラフである

【図２ａ】ＩＬＳレーザ及び光検出器を含む、本発明のガス検出システムを描いた断面図
である

【図２ｂ】２種類の相異なるＩＬＳレーザ動作条件に対する、本発明のＩＬＳレーザの総
出力パワーの、強度及び濃度を座標とするグラフである

【図３】本発明のＩＬＳレーザの別の実施形態を簡略に示す

【図４】高水蒸気濃度に対する、１４５０ｎｍから１４５５ｎｍの波長にかけての吸収
スペクトルを示す、レーザ強度／水の吸収(任意単位)及び波長(単位：ｎｍ)を座
標とするグラフである

【図５】窒素ガスから水分を除去するために用いられるインライン型ガス純化器により
定められた、窒素ガス中の水濃度に対するレーザ強度を示す、レーザ強度／水の
吸収(任意単位)及び濃度(単位：ｐｐｔｖ)を座標とするグラフである

【符号の説明】

１０ＩＬＳガス検知システム１２ＩＬＳレーザ１６光検出器２０利得媒体２２ガス試料セル２４レーザキャビティ２６，２８ミラー３２レーザ出力ビーム５２波長選択性光素子５４電気出力端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｊ 3/32 Ｇ０１Ｊ 3/32 3/42 3/42 Ｕ 3/45 3/45 Ｇ０１Ｎ 21/01 Ｇ０１Ｎ 21/01 ＤＨ０１Ｓ 3/00 Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｆ (72)発明者ピルグリム，ジェフリーエスアメリカ合衆国ニューメキシコ州 87505 サンタフェエスカイナロード 19 Ｆターム(参考） 2G020 AA03 BA02 BA03 BA12 CA02 CB04 CB06 CB07 CB23 CB42 CB51 CC02 CC13 CC23 CC27 CC30 CC31 CC48 CC55 CD03 CD13 CD22 2G059 AA01 BB01 CC02 DD12 DD13 EE01 EE12 GG01 GG02 GG07 HH01 JJ05 JJ11 JJ13 JJ24 KK04 MM01 MM09 5F072 AB01 AB15 AB20 HH09 MM03 MM06 PP01 PP07 YY11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス試料中の較正された範囲内にある特定の濃度のガス種の
存在を検出するためのガス検出システム(１０)において、前記ガス種が少なくと
も１つの単一連続波長バンド内の光を吸収し、前記システムが： (ａ) (i)レーザキャビティ(２４)と； (ii)イオンドープ結晶を含む利得媒体(２０)と；を含むＩＬＳレーザ(１２)；前記ＩＬＳレーザ(１２)は前記ガス種が吸収を行う
前記少なくとも１つの単一連続波長バンド内に完全に含まれる波長においてのみ
動作するように構成され、前記ガス種により誘起される前記吸収は較正された範
囲内で前記ＩＬＳレーザ(１２)の総出力強度を変えるのに十分な大きさである； (ｂ)前記ガス試料を前記レーザキャビティ(２４)内に入れるための容器(２２)
；前記容器(２２)により、前記利得媒体(２０)から出てくる出力ビーム(３２)が
前記レーザキャビティ(２４)を出る前に前記ガス試料を通過できる；及び (ｃ)絶対レーザ出力パワーまたはレーザ出力パワーの相対変化のいずれかを定
量的に測定するための検出器(１６)；を含むことを特徴とするガス検出システム(１０)。
【請求項２】前記ＩＬＳレーザ(１２)が１つの単一連続波長領域内でのみ
動作するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のガス検出システ
ム(１０)。
【請求項３】前記ＩＬＳレーザ(１２)が、前記ガス種が吸収を行っている
前記バンドの外側の波長における前記ＩＬＳレーザ(１２)の動作を防止するコン
ポーネントを含むことを特徴とする請求項１記載のガス検出システム(１０)。
【請求項４】波長選択性光素子(５２)が前記レーザキャビティ(２４)内に
置かれ、前記波長選択性光素子(５２)が、前記ガス種が吸収を行っている前記バ
ンドの外側の波長における前記ＩＬＳレーザ(１２)の動作を防止することを特徴
とする請求項３記載のガス検出システム(１０)。
【請求項５】前記利得媒体(２０)が、前記ガス種が吸収を行っている前記
バンドの外側の波長における前記ＩＬＳレーザ(１２)の動作を防止するのに十分
に狭いバンド幅を有するか、あるいは前記ガス種が吸収を行っている前記バンド
の外側の波長における前記ＩＬＳレーザ(１２)の動作を防止する光学コーティン
グをその上に有することを特徴とする請求項３記載のガス検出システム(１０)。
【請求項６】前記容器(２２)が前記レーザキャビティ(２４)内に置かれた
ガス試料セル(２２)を含み、前記ガス試料セル(２２)は前記利得媒体(２０)から
の前記出力ビーム(３２)に前記ガス試料を通過させ得る窓(６６，６８)を有し、
前記窓(６６，６８)の内の少なくとも１つは、前記ガス種が吸収を行っている前
記バンドの外側の波長における前記ＩＬＳレーザ(１２)の動作を防止する光学コ
ーティングをその上に有することを特徴とする請求項３記載のガス検出システム
(１０)。
【請求項７】前記レーザキャビティ(２４)が少なくとも２つのミラー(２
６，２８)で形成され、前記ミラー(２６，２８)の内の少なくとも１つが、前記
ガス種が吸収を行っている前記バンドの外側の波長における前記ＩＬＳレーザ(
１２)の動作を防止する光学コーティングをその上に有することを特徴とする請
求項３記載のガス検出システム(１０)。
【請求項８】光ポンピング源(７４)が前記利得媒体(２０)に放射光を与え
、よって前記ＩＬＳレーザ(１２)を駆動することを特徴とする請求項１記載のガ
ス検出システム(１０)。
【請求項９】前記ガス種が吸収を行っている前記バンドが(ａ)単一の特性
吸収を含み、前記ＩＬＳレーザ(１２)が多モード動作を維持するのに十分に広く
、前記単一の特性吸収の波長のみに重なるのに十分に狭い動作バンド幅を有する
か、あるいは(ｂ)複数の特性吸収を含み、前記ＩＬＳレーザ(１２)が多モード動
作を維持するのに十分に広く、前記複数の特性吸収の内の少なくとも１つの波長
のみに重なるのに十分に狭い動作バンド幅を有することを特徴とする請求項１記
載のガス検出システム(１０)。
【請求項１０】請求項１記載の前記ガス検出システム(１０)を用いる、ガ
ス試料中の較正された範囲内にある特定の濃度のガス種の存在を検出するための
方法において、前記方法が： (ａ)前記ガス種が前記較正された範囲内の量で前記ガス試料中に存在する場合
に、前記ガス種が少なくとも１つの単一連続波長バンド内の光を吸収することを
決定するステップ； (ｂ)請求項１記載の前記ＩＬＳレーザ(１２)を提供するステップ； (ｃ)利得媒体(２０)からの出力ビーム(３２)が、レーザキャビティ(２４)を出
る前に、前記レーザキャビティ(２４)内に入れられる前記ガス試料を通る方向に
向けられるように、前記利得媒体(２０)を位置させるステップ；及び (ｄ)前記ＩＬＳレーザ(１２)を出てくる出力の強度を検出し、それによって前
記ＩＬＳレーザ(１２)の絶対出力パワーまたは出力パワーの相対変化のいずれか
を定量的に測定するように検出器(１６)を位置させるステップ；を含むことを特徴とする方法。